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Magical 3D PTV : comment utiliser la photographie stéréo pour analyser les champs d'écoulement 3D ?
Dans la recherche actuelle en mécanique des fluides, la vélocimétrie de suivi des particules (PTV) émerge rapidement comme un outil avancé pour l'analyse des champs d'écoulement tridimensionnels. Cette technique est spécifiquement conçue pour mesurer la vitesse et la trajectoire des particules neutres en suspension dans un fluide et se concentre sur le suivi des particules individuelles. Par rapport à la méthode traditionnelle de vélocimétrie par images de particules (PIV), le PTV adopte la méthode lagrangienne, ce qui lui confère un avantage unique dans la capture des changements instantanés du champ d'écoulement.
Le PTV 3D est une technique de mesure de vitesse en champ complet capable de déterminer la vitesse instantanée et la distribution de vorticité en deux ou trois dimensions spatiales.
Le principe de fonctionnement du PTV 3D repose sur un système multi-caméras configuré en stéréo et qui enregistre simultanément le mouvement des traceurs de flux (c'est-à-dire de minuscules particules illuminées). Non seulement il peut capturer le comportement instantané du champ d'écoulement, mais il permet également aux chercheurs d'obtenir une densité de données, généralement jusqu'à dix vecteurs de vitesse ou plus par centimètre cube. Des techniques efficaces d’imagerie stéréo et de suivi optique sont essentielles au succès de cette approche.
Principes de base du PTV 3D
La technologie utilise une combinaison de deux à quatre caméras numériques pour enregistrer de manière synchrone les changements de lumière des traceurs de flux. Les champs d'écoulement sont éclairés par un faisceau laser parallèle ou une autre source de lumière clignotante de manière aléatoire, pour réduire le temps d'exposition effectif des objets en mouvement et « geler » leur position sur chaque image. Afin d'effectuer un positionnement tridimensionnel précis, bien que seulement deux caméras soient théoriquement nécessaires, dans les applications réelles, trois à quatre caméras sont souvent utilisées pour augmenter la précision des données et les gains de trajectoire lors de l'étude de l'ensemble du champ d'écoulement turbulent.
Solution PTV 3D
Il existe différentes options PTV 3D en fonction de la conception et des besoins. La plupart des solutions utilisent la technologie 3 CCD ou 4 CCD, offrant de riches capacités de capture de données. À mesure que la technologie se développe, des solutions sont apparues permettant d’utiliser la lumière blanche au lieu des sources de lumière laser, ce qui réduit non seulement les coûts mais également les exigences en matière de santé et de sécurité.
Le développement initial des méthodes PTV 3D a commencé comme un projet commun entre l'Institut de géodésie et de photogrammétrie et l'Institut d'hydraulique de l'ETH Zurich.
Le traitement d’images en temps réel constitue également une avancée importante dans les systèmes PTV 3D, permettant aux chercheurs de traiter de grandes quantités de données plus rapidement et plus efficacement. Lors des tests sur le terrain, cette capacité de réponse instantanée aide les chercheurs à ajuster les conditions expérimentales en temps opportun pour obtenir des résultats de mesure plus précis.
Champ d'application
Aujourd'hui, l'application du PTV 3D s'étend à divers domaines tels que la recherche en mécanique des structures, la médecine et l'environnement industriel. De nombreux scientifiques utilisent cette technique pour observer comment les particules se déplacent dans des flux turbulents et interagissent avec le fluide environnant, ce qui est crucial pour améliorer la conception technique et la recherche environnementale.
ConclusionEn résumé, la technologie de vélocimétrie de suivi de particules 3D (PTV 3D) offre non seulement des capacités d’analyse de champ d’écoulement très précises, mais ouvre également de nouvelles directions pour divers domaines de recherche en mécanique des fluides. Cette technologie a enrichi notre compréhension de l’évaluation des risques et de l’optimisation des produits, mais comment affectera-t-elle nos recherches en dynamique des fluides à l’avenir ?
